KR102328827B1 - 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법 및 장치 - Google Patents

리듐이온 축전지의 상태 감시 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

리듐이온 축전지의 상태 감시 방법 및 장치가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치는 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하기 위한 CR 입력부, 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 증폭부, 증폭된 방전신호의 판별을 위해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환하는 비교기 및 파형 정형화부 및 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 신호판별 및 경보 출력부를 포함한다.

Description

리듐이온 축전지의 상태 감시 방법 및 장치{Condition Monitoring Method and Apparatus for Li-ion Batteries}
본 발명은 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법 및 장치에 관한 것이다.
리듐이온(Li-ion) 축전지는 에너지저장시스템(Energy Storage System; ESS)의 핵심 설비이다. 전 세계적으로 태양광발전소(solar farms)와 풍력발전소(wind turbine farms) 등과 같은 신재생 에너지 발전설비와 피크저감용 ESS는 물론, 전기자동차의 적용 확대로 리듐이온 축전지의 사용량이 급속도로 증가하면서, 리듐이온 축전지에 의한 화재도 빈번하게 발생되고 있다
국내에는 2019년 5월말 기준으로 총 1,490개소의 ESS가 설치되어 있으며, 이중 신재생 에너지 연계설비는 778개소(1,859MWh)이며, 712개소(2,914 MWh)는 피크저감용 관련 설비이다. 2017년 8월부터 2021년 4월20일까지 ESS관련 총 30건의 대형 화재사고가 발생하였으며, 2018년에만 15건이 발생하여 피해규모만 직간접적으로 수 백억원에 달한다[산업부보도자료 2019.6.11.].
이들 ESS화재는 태양과, 풍력 및 수요관리용 등 다양한 용도에서 설치 중 보관상태, 설치 중, 수리 점검 중, 충전 중 및 충전 후 휴지 중 등 모든 조건에서 발생하였으며, 73%(19건)가 운전 중 발생한 것으로 분석되었다[산업부보도자료 2019.6.11.].
또한 H사의 전기차(Electric Vehicle; EV)는 2018. 05.19년 생산라인에서 발생한 화재를 시작으로 2020년 10월 17까지 2년간 총 14건이 발생하였으며, 시정조치에 2021년 1월 23일 1건의 화재사고가 발생하였다. 국토교통부는 H사 코나(Electric Vehicle; EV) 등 3개 차종 26,699대에 리콜을 지시하였다[국토교통부 보도설명자료 2019.6.11.].
이와 같이 리듐이온 축전지로 인한 화재가 빈번하게 발생하면서 정부(산업통상자원부)주도로 2차례에 걸친 조사가 있었지만 명백한 결론을 내지 못하였다.
리듐이온 축전지는 전 세계에서 소형 휴대용 전기전자기기로부터 전기자동차, ESS 등 다양한 산업분야에 사용되고 있으며, 이와 더불어 리듐이온 축전지의 폭발과 화재가 심각한 문제로 이슈화되고 있다. 이와 같이 리듐이온 축전지로 인한 화재가 빈번하게 발생하면서 원인분석과 제조공정, 축전지관리시스템(Battery Management System; BMS), 및 설치 기준 등 관련하여 연구개발이 지속되고 있으나, 아직도 축전지의 안전성이 확보되지 않고, 사용자 불안감도 해소되지 못하고 있는 실정이다. 또한 축전지의 이상징후도 가스분석이나 온도 상승과 같은 물리화학적 관점에서만 진행되고 있어 실질적인 대책이 되지 못하고 있다. 현재까지 리듐이온 축전지의 화재와 폭발의 원인이 대부분 제조결함이나 기계적 충격 및 열에 의한 분리막 손상으로 자기발열(self-heating)이 발생하고 최종 열폭주(thermal runaway)에 도달하기 때문이라고 보고되었다.
따라서 전 세계적으로 리듐이온 측전지로 인한 폭발과 화재를 예방할 목적으로, 사용(예를 들어, 보관, 운전 등) 중 리듐이온 축전지의 온라인 상태진단기술과 장치 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 자기발열과 열폭주로 인한 화재 또는 폭발을 예방하기 위해 축전지의 분리막 손상과 같은 이상 징후를 초기에 예지하여 축전지의 화재나 폭발을 예방하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치는 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하기 위한 CR 입력부, 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 증폭부, 증폭된 방전신호의 판별을 위해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환하는 비교기 및 파형 정형화부 및 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 신호판별 및 경보 출력부를 포함한다.
상기 CR 입력부는 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출한다.
상기 비교기 및 파형 정형화부는 신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 정형화하고, 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환한다.
상기 신호판별 및 경보 출력부는 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별한다.
상기 신호판별 및 경보 출력부는 방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별하고, 상기 판별 알고리즘은 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고, 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법은 CR 입력부를 통해 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하는 단계, 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 증폭부를 통해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 단계, 증폭된 방전신호의 판별을 위해 비교기 및 파형 정형화부를 통해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환하는 단계 및 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대하여 신호판별 및 경보 출력부를 통해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 자기발열과 열폭주로 인한 화재 또는 폭발을 예방하기 위해 축전지의 분리막 손상과 같은 이상 징후를 초기에 예지하여 축전지의 화재나 폭발을 예방할 수 있다. 더욱 상세하게는, 리듐이온 축전지의 사용(예를 들어, 보관 또는 운전 중) 중 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출 등으로 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상 초기에 발생하는 국부적 미소 방전 신호를 검출과 판별을 통해 이상 징후를 경보하여 리듐이온 축전지의 폭발과 화재를 예방할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 화재 및 폭발 매커니즘의 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 분리막 손상 시 방전 펄스를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기 및 파형정형화부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호판별 및 경보 출력부를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1에는 원통형 리듐이온 축전지의 구조와 판형 리듐이온 축전지의 구조를 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같은 리듐이온 축전지의 구조는 단위 체적당 에너지밀도가 높아 기존 니켈-수소화 금속(Nikel metal hydride) 축전지를 대체하여 휴대용 전기전자기기, 전기자동차, ESS 등 광범위하게 사용이 급증하고 있다. 리듐이온 축전지는 에너지 저장밀도(energy density)가 증가하고, 메모리 효과(memory effect)가 없고, 소형 경량으로 만들 수 있는 장점이 있는 반면, 가장 큰 결점은 가연성(flammable)이다. 대부분의 경우 리튬이온 축전지는 열폭주(thermal runaway)가 진행될 수 있는 산화 코발트(cobalt oxide)와 같은 물질을 사용하며, 이는 가열되어 분리막(다시 말해, 양극과 음극 사이 절연막)이 손상되면 자기 발열(self-heat)을 시작하고 열폭주(thermal runaway)에 도달 시 폭발과 화재로 진행된다.
도 2는 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 화재 및 폭발 매커니즘의 예시를 설명하기 위한 도면이다.
리듐이온 축전지의 정상 사용 중 온도는 40℃미만이며, 단락, 과충전, 고온에 노출되면 분리막이 손상되어 축전지의 온도가 빠르게 상승하게 된다. 이때 온도 60℃이상에서는 더 많은 반응이 발생하고 자기 발열을 가속화시킨다. 이후 온도가 75℃이상이 되면 반응이 환원되지 못하고 지속적인 연쇄 반응으로 가스와 열이 누적되면서 축전지 내부압력이 내구성을 초과하여 폭발은 피할 수 없게 된다. 또한 폭발에서의 파편이 발화원이 되어 화재가 발생할 수 있다. 이러한 리듐이온 축전지의 화재 및 폭발 매커니즘의 전 과정을 도 2에 도시하였다.
기계적, 전기적, 열적 요인으로 인해 축전지의 분리막이 손상되면, 손상 정도에 따라 일정시간 후 열폭주가 발생하게 된다. 본 발명에서는 이러한 열폭주에 도달하기 전에 분리막 손상을 미리 검출하기 위한 방법 및 장치를 제안한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 분리막 손상 시 발생하는 방전펄스를 검출함으로써 폭발이나 화재로 진행되는 열폭주 이전에 분리막 손상을 검출할 수 있다.
도 3은 종래기술에 따른 리듐이온 축전지의 분리막 손상 시 방전 펄스를 나타내는 도면이다.
도 3(a)는 리듐이온 축전지 휴지 중 외부에서 기계적 분리막 손상 시의 방전신호를 나타내는 도면이다. 도 3(b)는 리듐이온 축전지 휴지 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호를 나타내는 도면이다. 도 3(c)는 리듐이온 축전지 충전 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호를 나타내는 도면이다. 도 3(d)는 리듐이온 축전지 휴지 중 서지전압에 의한 분리막 손상 시의 방전신호를 나타내는 도면이다. 리듐이온 축전지의 극간 분리막이나 층간 절연이 손상되면 도 3과 같이 미소한 방전펄스가 관측된다.
본 발명에서는 축전지의 이상징후(예를 들어, 분리막 손상 시 발생하는 방전펄스의 검출)를 초기에 예지하여 축전지의 화재나 폭발을 예방하고자 한다. 리듐이온 축전지는 사용(예를 들어, 보관 또는 운전) 중 제조결함, 기계적 충격이나 진동, 전기적 단락이나 과충방전 및 고온 노출 등으로 자기발열이 진행되며, 리듐이온 축전지는 층간 절연이나 극간 분리막 손상 시 해당 부분에서 국부적인 미소 방전신호가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 리듐이온 축전지가 극간 절연파괴나 자기발열 시, 축전지가 열폭주에 도달하기 전에 고장 초기에 이상 현상에 관한 전기적 방전펄스를 검출하는 방법 및 장치를 제안한다. 제안하는 방법 및 장치를 통해 리듐이온 축전기가 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상 초기에 발생하는 국부적 미소 방전신호를 검출 및 분석하고, 이상 징후를 경보하여 리듐이온 축전지의 폭발과 화재를 예방하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
리듐이온 축전지의 사용(예를 들어, 보관 또는 운전 등) 중 절연층 또는 분리막 손상 초기에 발생하는 국부적 미소 방전신호를 검출하고 판별하여 신호를 제공하는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치(400)는, CR 입력부(다시 말해, 방전신호검출부)(410), 증폭부(420), 비교기 및 파형 정형화부(430) 및 신호판별 및 경보 출력부(440)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 장치(400)는 리듐이온 축전지뿐만 아니라, 다양한 형태의 축전지에 적용될 수 있다. 또한, 하나의 축전지 또는 복수의 축전지가 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 연결된 팩(package) 단위로 이루어진 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
CR 입력부(410)는 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거한다. CR 입력부(410)는 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부(410)는 100Hz이상의 신호를 통과시키는 고역통과필터(High Pass Filter; HPF)의 기능을 수행한다.
증폭부(420)는 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시킨다. 분리막 손상 초기에 발생하는 방전 신호는 수 mv에서 수십 mV로 작기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(420)는 방전 신호의 판별을 위해 40dB(100배) 증폭을 수행한다.
비교기 및 파형 정형화부(430)는 증폭된 방전신호의 판별을 위해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환한다. 비교기 및 파형 정형화부(430)는 신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 정형화하고, 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환한다.
신호판별 및 경보 출력부(440)는 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력한다.
신호판별 및 경보 출력부(440)는 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별한다. 더욱 상세하게는, 신호판별 및 경보 출력부(440)는 방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별한다.
본 발명의 실시예에 따른 판별 알고리즘은 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고, 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별한다. 분리막 손상에 의한 방전신호(예를 들어, 접점, 전압출력 등)로 판별 시 경보를 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
리듐이온 축전지의 사용(예를 들어, 보관 또는 운전 등) 중 절연층 또는 분리막 손상 초기에 발생하는 국부적 미소 방전신호를 검출하고 판별하여 신호를 제공하는 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법은 CR 입력부를 통해 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하는 단계(510), 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 증폭부를 통해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 단계(520), 증폭된 방전신호의 판별을 위해 비교기 및 파형 정형화부를 통해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환하는 단계(530) 및 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대하여 신호판별 및 경보 출력부를 통해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 단계(540)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 리듐이온 축전지의 상태 감시 방법은 리듐이온 축전지뿐만 아니라, 다양한 형태의 축전지에 적용될 수 있다. 또한, 하나의 축전지 또는 복수의 축전지가 직렬 또는 병렬, 또는 직병렬 연결된 팩(package) 단위로 이루어진 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
단계(510)에서, CR 입력부를 통해 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거한다. CR 입력부는 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부는 100Hz이상의 신호를 통과시키는 고역통과필터(High Pass Filter; HPF)의 기능을 수행한다.
단계(520)에서, 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 증폭부를 통해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시킨다. 분리막 손상 초기에 발생하는 방전 신호는 수 mV에서 수십 mV로 작기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부는 방전 신호의 판별을 위해 40dB(100배) 증폭을 수행한다.
단계(530)에서, 증폭된 방전신호의 판별을 위해 비교기 및 파형 정형화부를 통해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환한다. 비교기 및 파형 정형화부는 신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 정형화하고, 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환한다.
단계(540)에서, 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대하여 신호판별 및 경보 출력부를 통해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력한다.
신호판별 및 경보 출력부는 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별한다. 더욱 상세하게는, 신호판별 및 경보 출력부는 방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별한다.
본 발명의 실시예에 따른 판별 알고리즘은 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고, 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별한다. 분리막 손상에 의한 방전신호(예를 들어, 접점, 전압출력 등)로 판별 시 경보를 출력할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부(다시 말해, 방전신호검출부)의 회로도를 나타내고, 도 6(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부의 주파수응답을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부는 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거한다. CR 입력부는 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출한다.
리듐이온 축전지로부터의 방전신호는 미소 고주파 전압이고 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나기 때문에 직류성분을 제거하고 방전신호만을 검출하기 위해 도 6(a)와 같은 CR 입력부의 검출회로를 이용한다. 본 발명의 실시예에 따른 검출회로의 주파수 응답은 도 6(b)와 같이 직류성분은 통과하지 못하고, 100 Hz 이상의 성분 즉, 축전지 내부의 방전펄스만을 감쇄없이 통과시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CR 입력부는 100Hz이상의 신호를 통과시키는 고역통과필터(High Pass Filter; HPF)의 기능을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부는 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시킨다. 분리막 손상 초기에 발생하는 방전 신호는 수 mv에서 수십 mV로 작기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부는 방전 신호의 판별을 위해 충분하도록 40dB(100배) 증폭을 수행한다. 본 발명의 실시예에 따른 증폭부의 회로(예를 들어, 비반전, 반전, 차동 등) 및 주파수 대역은 임의로 조절이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기 및 파형정형화부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기(810) 및 파형정형화부(820)의 회로도를 나타내고, 도 8(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기 및 파형정형화부에 의해 정형화된 파형을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비교기 및 파형정형화부는 증폭된 방전신호의 판별을 위해 아날로그 방전신호를 디지털 방전펄스 신호로 변환한다. 비교기 및 파형 정형화부는 신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 정형화하고, 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환한다.
본 발명의 실시예에 따르면 정, 부극성의 방전신호를 정극성으로 변환하고, 도 8(a)와 같이 비교기 U1의 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 3V 또는 5V 디지털 펄스로 정형화하도록 설계하였다.
가변저항 VR1에 의해 미리 정해진 값 이상의 방전신호가 입력되면 U1의 출력은 3V에서 0 V로 변화되어 부극성 펄스를 출력하며, U2에서 U1의 펄스를 반전시켜 정극성의 정형된 펄스를 출력한다. 정형 펄스의 폭은 VR1의 설정 값을 초과하는 시간에 비례하여 발생한다.
도 8(b)는 리듐이온 축전지에서 발생한 방전신호에 대응하여 정형화된 디지털 방전펄스가 출력되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호판별 및 경보 출력부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호판별 및 경보 출력부의 회로도를 나타내고, 도 9(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 판별알고리즘을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호판별 및 경보 출력부는 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력한다.
신호판별 및 경보 출력부는 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별한다. 더욱 상세하게는, 신호판별 및 경보 출력부는 방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별한다.
도 9(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 판별 알고리즘은 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고, 입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별한다. 분리막 손상에 의한 방전신호(예를 들어, 접점, 전압출력 등)로 판별 시 경보를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방전신호와 노이즈를 구분하고 방전신호에 의한 이상상태를 판별하는 알고리즘을 설계하기 위하여 다양한 현장실험을 통해 초당 펄스 개수와 펄스 간의 주기성이 중요한 판단 변수임을 도출하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 9(b)의 판별 알고리즘과 같이 마이크로프로세서에 입력되는 제 1 펄스와 제 2 펄스 및 후속 펄스의 주기성이 없고, 1,000ms마다 2개 이상의 펄스 검출 시에는 방전신호로 식별하며, 펄스 간 주기성이 있는 경우는 인버터 사용에 의한 노이즈로 판단할 수 있다. 이러한 판별 알고리즘의 파라미터 수치는 실시예일뿐 이에 한정되지 않으며, 상황에 따라 능동적으로 변경하여 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호판별 및 경보 출력부에서는 정상 시 b접점(다시 말해 하이(high))에서 방전신호 시 a접점(다시 말해, 로우(low))으로 전환되어 자동화재경보장치에 신호를 보낼 수 있다. 제안하는 축전지 상태 감시 장치의 출력신호를 정상 시 b접점으로 한 이유는 페일-세이프(fail-safe)를 고려하여 축전지 상태 감시 장치가 동작하지 않을 시에도 a접점이 되어 신호를 출력하도록 하기 위한 것이다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
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Claims (10)

  1. 리듐이온 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하기 위한 CR 입력부;
    리듐이온 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 증폭부;
    증폭된 방전신호의 판별을 위해 아날로그 신호인 상기 증폭된 방전신호를 기준 신호와 비교하여 디지털 방전펄스 신호로 변환하는 비교기(810) 및 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환하는 파형 정형화부(820)를 포함하는 비교기 및 파형 정형화부; 및
    변환된 디지털 방전펄스 신호에 대해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 리듐이온 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 리듐이온 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 신호판별 및 경보 출력부
    를 포함하고,
    상기 CR 입력부는,
    리듐이온 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 리듐이온 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출하며,
    상기 국부적 미소 고주파 방전신호는,
    리듐이온 축전지의 휴지 중 외부에서 기계적 분리막 손상 시의 방전신호, 리듐이온 축전지의 휴지 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호, 리듐이온 축전지의 충전 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호 및 리듐이온 축전지의 휴지 중 서지전압에 의한 분리막 손상 시의 방전신호를 포함하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교기 및 파형 정형화부는,
    신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하는 신호판별 및 경보 출력부의 마이크로프로세서의 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 상기 증폭된 방전신호를 기준 신호와 비교하여 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 변환하고, 파형 정형화부를 통해 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호판별 및 경보 출력부는,
    리듐이온 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호판별 및 경보 출력부는,
    방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별하고,
    상기 판별 알고리즘은,
    입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고,
    입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 장치.
  6. CR 입력부를 통해 리듐이온 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하는 단계;
    리듐이온 축전지의 분리막 손상 시 발생하는 방전신호의 판별을 위해 증폭부를 통해 CR 입력부에서 직류성분이 제거된 방전신호를 증폭시키는 단계;
    증폭된 방전신호의 판별을 위해 비교기 및 파형 정형화부의 비교기(810)를 통해 아날로그 신호인 상기 증폭된 방전신호를 기준 신호와 비교하여 디지털 방전펄스 신호로 변환하고, 비교기 및 파형 정형화부의 파형 정형화부(820)를 통해 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환하는 단계; 및
    변환된 디지털 방전펄스 신호에 대하여 신호판별 및 경보 출력부를 통해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 리듐이온 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 리듐이온 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 CR 입력부를 통해 리듐이온 축전지로부터의 방전신호의 직류성분을 제거하는 단계는,
    리듐이온 축전지의 보관 또는 운전 중 발생하는 제조결함, 단락, 과충전, 고온 노출을 포함하는 이상 징후 발생 시 자기발열이 진행되기 전, 절연층 또는 분리막 손상에 의해 발생하는 방전신호를 검출하기 위해 리듐이온 축전지의 직류 전압에 중첩되어 나타나는 국부적 미소 고주파 방전신호를 검출하며,
    상기 국부적 미소 고주파 방전신호는,
    리듐이온 축전지의 휴지 중 외부에서 기계적 분리막 손상 시의 방전신호, 리듐이온 축전지의 휴지 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호, 리듐이온 축전지의 충전 중 열적 분리막 손상 시의 방전신호 및 리듐이온 축전지의 휴지 중 서지전압에 의한 분리막 손상 시의 방전신호를 포함하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 증폭된 방전신호의 판별을 위해 비교기 및 파형 정형화부의 비교기(810)를 통해 아날로그 신호인 상기 증폭된 방전신호를 기준 신호와 비교하여 디지털 방전펄스 신호로 변환하고, 비교기 및 파형 정형화부의 파형 정형화부(820)를 통해 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환하는 단계는,
    신호판별 및 경보 출력부에서의 방전신호의 판별을 위해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하는 신호판별 및 경보 출력부의 마이크로프로세서의 입력단에 디지털 방전펄스 신호를 입력하도록 비교기를 통해 상기 증폭된 방전신호를 기준 신호와 비교하여 미리 정해진 레벨 이상의 아날로그 방전신호에 대해 디지털 방전펄스 신호로 변환하고, 부극성의 방전펄스 신호는 정극성으로 변환하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 변환된 디지털 방전펄스 신호에 대하여 신호판별 및 경보 출력부를 통해 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 리듐이온 축전지에서 발생하는 방전신호와 관련된 노이즈와 신호를 구분하고, 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하여 리듐이온 축전지의 분리막 손상에 의한 방전신호로 판별 시 경보를 출력하는 단계는,
    리듐이온 축전지에서 발생하는 방전신호와 인버터 및 전력변환장치(Power Conversion System; PCS)로부터의 노이즈를 구분하기 위한 마이크로프로세서 기반 판별알고리즘을 이용하여 디지털 방전펄스 신호가 분리막 손상에 의한 방전신호인지 여부를 판별하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    방전신호에 의한 이상상태를 판별하기 위해 입력되는 디지털 방전펄스 신호의 주기성 및 발생률에 기초하는 판별 알고리즘을 이용하여 방전신호인지 또는 노이즈인지 판별하고,
    상기 판별 알고리즘은,
    입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 없고, 미리 정해진 주기 마다 미리 정해진 수 이상의 디지털 방전펄스 신호 검출 시 방전신호로 판별하고,
    입력되는 디지털 방전펄스 신호 간의 주기성이 있는 경우는 인버터에 의한 노이즈로 판별하는
    리듐이온 축전지 상태 감시 방법.
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